Инновационные технологии 21 века в области химии, химической технологии, новых материалов Получение углерод-минеральных сорбентов на основе белой сажи и нефтяного пека

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате (Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате) Автор проекта: студент гр. ТП В.Ф. Нигматуллин Руководитель: канд. техн. наук П.В. Кугатов

Актуальность проекта Целесообразно выделить следующие основные области использования пористых углеродных материалов: адсорбция паров и газов из их смесей с воздухом и разделение и очистка газов; адсорбция из растворов (в пищевой и химической технологии, для очистки сточных вод); в области катализа ( в качестве катализаторов или носителей для катализаторов) в области медицины, хроматографии. В основном пористые материалы обладают высокой стоимостью из-за высоких эксплуатационных затрат на их производство. Также технологии получения данных материалов экологически опасны и энергоемки. Поэтому есть необходимость в создании дешевого углеродного материала с требуемыми значениями удельной поверхности, прочности, который мог бы использоваться в качестве сорбента или носителя для катализаторов.

Сырье В качестве сырья используются: Белая сажа (в работе представлены марки белой сажи БС-50, БС-100, БС-120, У-333) представляет собой диоксид кремния, который получается осаждением из раствора силиката натрия (жидкого стекла) кислотой (соляной в РФ и серной за рубежом), с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой. Химическая формула - mSiО 2 ·nН 2 О. Получение суспензии полупродукта - силиката кальция: Na 2 O·mSiO 2 + CaCl 2 + pH 2 O = CaO·mSiO 2 ·nH2O + 2NaCl + (p-n)H 2 O. Получение суспензии белой сажи: CaO·mSiO 2 ·nH 2 O + 2HCl = mSiO 2 ·nH 2 O + CaCl 2 + H 2 O. Пек представляет собой битуминозный материал черного или бурого цвета с блестящим раковистым изломом. При нормальных условиях - обычно твердое вещество, а при нагревании выше температуры размягчения переходит в вязко- текучее состояние. Спекающая способность пека в большей степени оценивается его коксуемостью, коксовым остатком и содержанием α- и β-фракций, а связующая способность - преимущественно температурой размягчения, плотностью, вязкостью и содержанием α-фракций.

ОпытаS уд.,м 2 /г Прочность на раздавливание, МПа В7 10/90 751,32 В6 20/80 761,34 В3 30/70 671,49 В4 40/60 731,91 В5 50/50 442,03 В7 10/90 В3 30/70 В5 50/50 Снимки были сделаны на электронном микроскопе JEOL JSM-6610LV. Исследование влияния содержания пека на характеристики образцов

Прокалка белой сажи БС-100 и исследование свойств полученных образцов из прокаленной белой сажи

ОпытаМарка белой сажи Конечная температура нагрева, °С Прочность на раздавливание, МПа Удельная поверхность (метод БЭТ), м2/г В3 БС ,1567 В178001,1170 В189001,3232 В ,5329 В24 БС ,08 52 В ,09 51 В ,80 47 В ,84 25 Исследования проводились при температуре карбонизации °С. Содержание пека в смесях 30%. Исследование влияния температуры карбонизации на характеристики гранул

Образцы сделаны с содержанием пека в смеси 30% и при температуре карбонизации 1000°С. ОпытаМарка белой сажиРазмер частиц, нмS уд.,м 2 /г Прочность на раздавливание, МПа В16БС ,53 В27БС ,84 В28У В29БС Исследование влияния марок белой сажи на характеристики образцов

На первой стадии количество добавляемого пека относительно невелико (1- 10%), температура термообработки °С. На второй стадии количество пека – 30%, температура карбонизации – 700 °С. Опыта Содержание пека во вторичном сырье, % Прочность на раздавливание, Мпа Удельная поверхность, м 2 /г Поверхность макропор, м 2 /г Объем микропор, см 3 /г ЭкструдатыТаблетки Опыт В14102,511, ,019 Опыт В1552,146,431540,008 Опыт В1910,850, ,005 Получение образцов по двустадийной схеме

Измерение удельной поверхности. Метод БЭТ

Поверхность макропор и объем микропор рассчитан с помощью αS метода.

Опыта Содержание пека на второй стадии, % Удельная поверхность, м2/г Макроповерхность Объем микропор Суммарный объем пор, см3/г Прочность на раздавливание, Мпа Опыт В231056,170, ,0036 Опыт В ,060,00130,400,02 Опыт В ,490,00720,412,14 Опыт В ,790,02280,430,59 Опыт В ,890,01720,78 Наиболее оптимальными значениями удельной поверхности и прочности обладает образец В15 с содержанием пека на второй стадии 30%. Суммарный объем пор у образцов сопоставим. Данный образец можно использовать в качестве носителя для катализаторов. Исследование влияния количества пека, добавляемого на второй стадии, на характеристики образцов

Для увеличения удельной поверхности образцов был применен процесс выщелачивания 3М NaOH. Опыта Содержание пека на первой стадии, % Содержание пека на второй стадии, % Удельная поверхность, м2/г Макроповерхность Объем микропор Суммарный объем пор, см3/г Опыт В ,120,06442,51 Опыт В ,850,06442,13 Опыт В ,900,03241,45 Опыт В После процесса выщелачивания у образцов вдвое увеличилась удельная поверхность и значительно увеличился объем пор, что позволяет данные образцы использовать в качестве сорбентов. Процесс выщелачивания

Рекомендуемые значения основных параметров приготовления гранул пористого материала ПараметрЗначение Первая ступень карбонизации Содержание пека в смеси на первой ступени, %5-10 Время перемешивания, минНе менее 60 Температура карбонизации, °СНе менее 1000 Способ гранулированияЭкструзия Скорость нагрева, град./минНе более 15 Вторая ступень карбонизации Содержание пека в смеси на второй ступени, %30-40 Температура карбонизации, °СНе менее 700 Способ гранулированияЭкструзия Выщелачивание Концентрация NaOH3M Время выщелачивания, минНе менее 75

Продукция проекта Опыта Содержание пека на первой стадии, % Содержание пека на второй стадии, % Удельная поверхность, м2/г Макроповерх ность Объем микропор Суммарный объем пор, см3/г Сфера использован ия Опыт В21 выщелоченный ,06442,13сорбент Опыт В ,00720,41 Носитель для катализатора Защита интеллектуальной собственности Подача заявки на получение патента предусмотрена в скором времени.

Технологическое оформление процесса I – нефтяной пек; II – сырьевая смесь (белая сажа (БС-100) с 5% содержанием пека и карбонизированная при 1000 °С); III – бензин; IV – химически очищенная вода; V – топливно-воздушная смесь; VI – готовый углеродный носитель; VII – дымовые газы; VIII – щелочь (NaOH 3M); IX – отработанная щелочь на утилизацию; X – готовый углеродный сорбент; Д-1 – молотковая дробилка; БМ-1, БМ-2 – барабанные мельницы; Г-1, Г-2 – грохоты; М-1, М-2 – мешалки; Е-1, Е-2, Е-3 – емкости; И-1 – испаритель; КХ-1 – конденсатор-холодильник; ТМ-1 – таблеточная машина; П-1 – барабанная печь; Х-1 – холодильник; КУ-1 – котел-утилизатор; Р-1 – реактор для процесса выщелачивания

Расчет капитальных затрат НаименованиеСумма, тыс.руб. Технологическое оборудование9988,0 Вспомогательное оборудование908,0 Силовое оборудование (60% от технологического оборудования)5992,8 КИП (15% от технологического оборудования)1498,2 Стоимость оборудования с учетом затрат на доставку и монтаж19751,3 Затраты на возведение зданий и сооружений6991,6 Дополнительные затраты3495,8 Капитальные затраты30238,7 Расчет капитальных затрат включает затраты на оборудование, здания и сооружения. Основываясь на величине проектной мощности оборудования, определяем стоимость технологического оборудования. Затраты на силовое оборудование, КИП, на его доставку,монтаж, а также затраты на строительство зданий и сооружений рассчитываем в виде процентной стоимости от стоимости технологического оборудования.

Расчет себестоимости Статьи затрат Единица измерения Норма расходаЦена, руб.Руб. на 1 т продукции Белая сажа БС-100т1, ,54 Нефтяной пект0, ,00 Бензинт0, ,40 Щелочьт20, ,2 Топливот0, ,002,00 Водатыс. м30,001530,050,53 Электроэнергиятыс. кВт0,002666,011,33 Заработная плата4800,00 Отчисления на соцстрах1824,00 Амортизация3023,87 Затраты на текущий ремонт40,00 Общезаводские расходы100,00 Полная себестоимость для носителя91031,67 Полная себестоимость для сорбента395110,87

Расчет эффективности инвестиционного проекта ПоказателиЗначение Производительность установки, т/год1000 Капитальные затраты, млн. руб.30,24 Себестоимость продукции носителя, тыс. руб./т91,03 Себестоимость продукции сорбента, тыс. руб./т395,11 Цена готовой продукции носителя, тыс. руб./т120 Цена готовой продукции сорбента, тыс. руб./т380 Горизонт расчета, лет5 Чистый дисконтированный доход NPV, млн. руб.11,04 Внутренняя норма доходности IRR, %0,24 Простой срок окупаемости проекта, лет3,19 Дисконтированный срок окупаемости, лет4,54

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ ! Контактная информация: Почтовый адрес: РБ г. Салават ул. Калинина Контактный телефон: